JPS6151949B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、灯油や軽油等の液体燃料，水，薬液
等の液体の霧化装置に関し、さらに詳しく言え
ば、圧電振動子等の電気的振動子の超音波振動を
利用して液体を霧化する超音波霧化装置に関する
ものである。

従来、この種の霧化装置として以下の様な超音
波霧化装置がある。

最も代表的な超音波霧化装置として、(1)振巾増
巾型霧化装置がある。これはジユラルミン等で構
成したホーン型振動子に圧電振動子を装着し、そ
の振動振巾が増巾されたホーン先端の振動面に液
体を供給して霧化するものである。また、加湿器
等に実用化されているものとして、(2)液柱型超音
波霧化装置がある。これは、液槽の底面に圧電振
動子を設け、液面近傍に超音波エネルギーを照
射・集中させて液柱を形成し、液面近傍での一種
のキヤビテーシヨン現象を利用して霧化するもの
である。さらに、また、近年インクジエツトプリ
ンタに実用化されている超音波霧化装置として、
第１図に示すようなものがある。これは、インク
室１の一端に圧電素子２を設け、他端にオリフイ
ス３を設けたものであり、圧電素子２の振動によ
り、オリフイス３よりインク液滴４を噴射して霧
化するものである。

しかしながら、これら従来の霧化装置は以下の
如き多くの欠点を有するものであつた。

１の霧化装置は、安定な超音波振動を保証する
ために、ホーン振動子の加工精度を極めて高くす
ることが必要であり、かつ、固定方法も安定動作
保証のため面倒であつた。また、ポンプ等の液体
供給装置が必要であり、霧化装置全体が大型化せ
ざるを得ず、その価格も極めて高いものとなつて
いた。そして、霧化粒子径やその均一性等のいわ
ゆる霧化性能は、必ずしも十分なものではないに
もかかわらず、20c.c.／分程度の霧化量を得るのに
約10Watts程度の電力を要するものであつた。

２の霧化装置は、ポンプ等を必要とせず、さら
にその霧化性能は極めて良好なものであるが、霧
化に要するエネルギーが大きく、20c.c.／分程度の
霧化量を得るのに、50Watts程度の電力を必要と
し、しかも、１〜2MHzという極めて高い超音波
エネルギーを必要とするものであつた。したがつ
て、その駆動回路が著しく高価格化せざるを得
ず、さらに障害波強度が大きいことによるラジオ
ノイズの発生のおそれもあつた。また、その霧化
量が液面と圧電素子の距離や液温等により著しく
影響を受けるので、その安定化が極めて面倒でか
つ困難なものであつた。

３の霧化装置は、粒径の均一性の優れたインク
液滴列を発生させることができ、かつ、構造が簡
単でコンパクトであり、またポンプ等を必要とし
ないものであつたが、溶存空気が多量に含まれて
いる液体（例えば通常の水や液体燃料等）を噴霧
しようとすると、圧電素子２の振動をインク室１
を介してオリフイス３に伝える構成であるため、
その超音波振動によるキヤビテーシヨン現象によ
り、溶存空気が気泡化し、安定な霧化動作が維持
できないことがあつた。

本発明は、上記従来の欠点を一掃した霧化装置
を提供せんとするものである。

第１の目的は、構成が簡単でコンパクトであり
従つて低コストの霧化装置を実現することであ
る。

第２の目的は、霧化性能に優れ、しかも著しく
低消費電力な霧化装置を実現することである。

さらに第３の目的は、溶存空気の多い液体であ
つても極めて安定な霧化動作を実現することがで
きる霧化装置を実現することである。

本発明は以上に述べた目的を達成するために以
下のような構成より成るものである。

すなわち、液体を充填するための加圧室と、前
記加圧室に臨むように設けたノズルと、前記ノズ
ルを加振するための電気的振動子と、前記電気的
振動子に交流電圧を供給する振動子駆動部とを備
え、振巾変調された交流電圧を前記電気的振動子
に供給するよう構成したものであり、振巾変調さ
れた交流電圧により前記電気的振動子が附勢され
て前記ノズルが加振され、その結果、前記ノズル
より前記加圧室に充填された液体を噴霧するもの
である。

以下、本発明の一実施例について図面と共に説
明する。

第２図は、本発明の一実施例の霧化装置を適用
した温風機の構成を示す断面図である。

第２図において、１０は温風機ケースであり、
上面には、操作部１１が設けられ、制御部１２に
運転指令を送るよう構成されている。

今運転指令が操作部１１より、制御部１２に送
られると、制御部１２は送風フアン１３を起動す
る。

送風フアン１３は、吸気パイプ１４より燃焼空
気を吸い込み、オリフイス１５，第１空気路１６
を図中矢印のように通つて空気室１７に送られ
る。空気室１７は、円筒状の燃焼筒１８にて構成
され、その下部は補助筒１９との間に気化混合室
２０を形成し、旋回気流を噴出口２１より気化混
合室２０に噴出する。

２２は炎口であり、燃焼筒１８の半径方向に、
燃焼室２３内に向つて２次空気を噴出するもので
あり、２４は３次空気噴出口である。また、２５
は排気パイプである。

従つて、空気の流れは、図の矢印のようにな
る。オリフイス１５の下流の負圧発生部２６に
は、数十mm水柱程度の負圧力が発生する。

２７は霧化部であり、パイプ２８にて負圧発生
部２６と連結され、パイプ２９にてレベラ３０と
連結されている。またレベラ３０はパイプ３１に
てタンク（図示せず）に連結されている。

レベラ３０は、灯油の液面をパイプ２９内に制
御しているが、前記負圧発生部２６に発生した負
圧力により、液面は吸い上げられて上昇し、霧化
部２７を通過して、パイプ２８内に位置する。す
なわち、負圧発生部２６に発生した負圧力によ
り、霧化部２７内は灯油で充満されるのである。

次に制御部１２は霧化部２７を附勢し、霧化部
２７は霧化室３２の壁面３３の霧化口３４から霧
化粒子３５を噴霧する。霧化粒子３５は、空気路
３６よりスワラー３７を通つて霧化室３２に吐出
される旋回気流により混合・搬送され、気化混合
室２０に送られ、点火器３８に点火され、炎口２
２より噴出する２次空気のまわりで燃焼し、火炎
３９を形成する。４０は火炎検知器である。ま
た、４１は対流フアンであつて、吸込口４２より
室内空気を吸い込み、吹出口４３より温風を吐出
するものである。

ここで、霧化部２７についてさらに詳しく説明
する。第３図は、霧化部２７の断面図であり、第
２図と同符号は相当物である。

霧化部２７は、直径が10〜15mm、深さ２〜５mm
程度の円筒状の加圧室４４を有する基体４５に、
厚さが0.05mm程度のノズル板４６と、中央に開口
部４７を有し、外径が10〜15mm程度、厚さ0.5〜
２mm程度の円板状の圧電振動子４８とを、半田付
等によつて図のように接着し、ビス４９，４９′
にてカバー５０に固定した構成となつている。そ
して、カバー５０は、中央に開口５１を有すると
共に、ビス５２，５２′にて、壁面３３に固定さ
れている。

また、圧電振動子４８の開口部４７に臨むノズ
ル板４６には、曲面部５１が設けられ、この曲面
部５１には、直径40〜100μｍ程度の複数個のノ
ズル５２が設けられている。５３，５４はリード
線であり、圧電振動子４８の両面に設けた電極
（図示せず）に、それぞれ直接、および基体４５
とノズル板４６を介して接続されている。

Ａは前述したレベラ３０にて制御される灯油の
液面であり、送風フアン１３の発生する負圧力に
より液面Ｂの位置に上昇し、加圧室４４は図のよ
うに灯油が充填されるのである。

このような状態において、制御部１２は、内蔵
した振動子駆動部１２′を起動し、振動子駆動部
１２′は、リード線５３，５４を介して交流電圧
を圧電振動子４８に印加する。第４図は、振動子
駆動部１２′の構成を示すブロツク図であり、第
１の発振器５５，第２の発振器５６より構成され
ている。これらの発振器は、周知のCR発振器や
コルピツツ型発振器，ウイーンブリツジ発振器な
どの正弦波発振器や、マルチバイブレータ等の方
形波発振器を利用して構成することができる。

第１の発振器５５は、20KHz〜50KHz程度、第
２の発振器５６は数十Hz〜数ＫHz程度の発振周波
数で動作するよう構成され、第２の発振器５６の
出力により、第１の発振器５５の出力電圧が振巾
変調を受けるように構成されている。従つて、圧
電振動子４８には、数十Hz〜数ＫHzで振巾変調さ
れた交流電圧が供給される。

第５図ａ〜ｄは、 の出力波形の発振器を用い
て第１および第２の発振器５５および５６を構成
したときの振巾変調された第１の発振器５５の出
力電圧波形のいくつかの例を示す。ａは第１およ
び第２の発振器５５，５６を共に正弦波発振器で
構成し、第２の発振器５６の出力電圧に応じた振
巾変調を行つた場合の波形であり、ｂは第１の発
振器５５を方形発振器，第２の発振器５６を正弦
波発振器としたものである。ｃは第１および第２
の発振器５５，５６を共に方形波発振器とし、
Hi―Loの２値制御による振巾変調を行うよう構
成したものであつて、第１の発振器５５の出力電
圧振巾が第２の発振器の出力に応じて図のように
Hi―Loの２値に変調されている。

また、ｄは最も簡単な２値制御による振巾変調
を行うようにした場合の出力波形を示し、第１の
発振器５５の正弦波出力電圧が、第２の発振器５
６の方形波出力にてオンオフ制御されている。

第６図は第４図の振動子駆動部１２′のさらに
詳しい一実施例を示す回路図であつて、第４図と
同符号は相当物であり、第５図ｄに示した振巾変
調された電圧を圧電振動子４８に供給するもので
ある。

第６図において、第１の発振器５５は、オペア
ンプ５７，５８，接合型電界効果トランジスタ５
９，抵抗器６０〜６８，コンデンサ６９〜７１，
ダイオード７２より成るウイーンブリツジ発振器
と、トランジスタ７３〜７５，抵抗器７６〜８
０，コンデンサ８１〜８３より成る増巾器とによ
り構成され、第２の発振器５６は、オペアンプ８
４，トランジスタ８５〜８７，接合型電界効果ト
ランジスタ８８，ダイオード８９，抵抗器９０〜
１００，コンデンサ１０１より成るマルチバイブ
レータとそのスイツチ出力回路により構成されて
おり、第５図ｄの出力電圧を圧電振動子４８に供
給する。圧電振動子４８は、第５図ｄの如き振巾
変調を受けた交流電圧によりその直径方向に伸縮
振動を生じる。第７図はこの圧電振動子４８の振
動による霧化動作を説明するための霧化部２７の
断面図であり、第３図と同符号は相当物である。

今、正の半サイクル電圧が印加されると圧電振
動子４８は図中矢印の方向に沿つて収縮し第７図
の実線で示すように加圧室４４側にたわみを生じ
る。したがつてノズル５２からは霧化粒子３５が
噴射される。

次に負の半サイクル電圧が印加されると図の破
線で示すように前述の反対方向にたわみを生じ
る。この時のノズル５２には灯油の表面張力が発
生するため、空気がノズル５２から流入すること
はなく、加圧室４４内の圧力低下が生じる。この
圧力低下よりパイプ２９より灯油が吸い上げら
れ、霧化されてノズル５２から噴出した分だけ灯
油が自給されるのである。

上記正負電圧を繰り返し圧電振動子４８に印加
することにより霧化部２７は灯油を自給しなが
ら、ノズル５２より連続的に噴霧することができ
る。第７図に示したノズル５２の振動状態から明
らかなように、加圧室４４内に発生する振動加速
度最大点は、ノズル５２近傍となる。従つて、ノ
ズル５２から灯油を噴霧するための振動エネルギ
ーは非常に小さいものでよく、かつ、この振動加
速度最大点近くの灯油が噴霧されていく構成であ
るので、従来のように振動加速度最大点に発生す
るキヤビテーシヨン現象による溶存空気の気泡化
が大巾に抑制され、極めて安定な霧化動作が可能
となる。さらに、ノズル５２の近傍以外の加圧室
４４内に気泡が存在しても、第７図に示す霧化動
作から明らかなようにノズル５２からの霧化動作
に対して与える影響は極めて小さく、安定霧化動
作が可能である。

ノズル５２より噴射霧化される霧化粒子３５の
粒径はノズル５２の直径により定まり、従つて、
極めて均一性に優れ、かつ粒径の小さい霧化粒子
を大量に発生することができる。

圧電振動子４８の駆動電圧を第５図ａ〜ｂのよ
うに振巾変調した場合、この霧化粒子の粒径をさ
らに小さいものとすることができる。第８図ａ，
ｂはこれを説明するためのノズル５２からの霧化
粒子３５の噴射状態を示す図であり、第８図ａは
振巾変調を行わない時の噴射状態を示し、第８図
ｂは第５図ｄの様な振巾変調を行つた時の噴射状
態を示すものである。すなわち、振巾変調によ
り、圧電振動子４８の振動周波数成分は基本周波
数と変調周波数の２成分を有するものとなり、従
つて、ノズル５２の振動も同様に２つの周波数成
分を有する複合振動となるため、ノズル５２より
噴射された霧化粒子３５は、ノズル５２より噴出
された後分裂して微粒化するのである。

したがつて、振巾変調した電圧により圧電振動
子４８を駆動することにより、極めて優れた霧化
性能を得ることができる。

また、第５図ｃ又はｄに示すような振巾の２値
制御による振巾変調を行うよう構成すれば、単に
その変調波形の時間比（Hi時間とLo時間の）調
節のみで極めて簡単に霧化量を調整することが可
能であるという利点をも有することができる。こ
のような霧化動作を行う場合の圧電振動子４８の
消費電力について説明すると次のようになる。霧
化量として20c.c.／分程度を得る場合、約
0.05Watts程度の圧電振動子４８の消費電力とな
り、従来の超音波霧化装置の10〜50Wattsの消費
電力と比べると極端に小さい電力消費で霧化動作
を実現することが可能であることが明らかであ
る。従つてその駆動回路は従来に比べ格段に低コ
スト化することができ、さらに省エネルギー性の
優れた霧化装置とすることができる。

また、圧電振動子の機械的エネルギー出力は30
〜40mWatts程度と著しく小さいため、振動によ
る各部の疲労等の劣化を極めて小さくすることが
できる。

以上のように本発明によれば、加圧室に臨んで
設けたノズルを電気的振動子により加振する構成
とし、振動子駆動部により振巾変調された電圧を
前記電気的振動子に供給するよう構成したから、
極めて構成が簡単でコンパクトであり、従つて低
コストである霧化装置を実現することができる。
また、著しく低消費電力であるにもかかわらず霧
化性能の優れた霧化装置を実現することができ、
特に振巾変調した電圧にて電気的振動子を附勢す
るという構成により、ノズル径に比して一層微粒
化特性の良好な霧化装置を実現することができ
る。さらに、溶存空気の多い液体であつても極め
て安定に霧化動作を維持することができるもので
あり、その工業的価値は極めて多大なものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の霧化装置の構成を示す断面図、
第２図は本発明の霧化装置の一実施例を適用した
温風機の構成を示す断面図、第３図は同温風機の
霧化部の構成を示す断面図、第４図は同霧化部の
電気的振動子に交流電圧を供給する振動子駆動部
のブロツク図、第５図ａ〜ｄは同振動子駆動部の
出力電圧の振巾変調例を示す電圧波形図、第６図
は第４図の振動子駆動部のさらに詳しい一実施例
を示す回路図、第７図は第４図の霧化部の動作を
説明するための同霧化部の断面図、第８図ａ，ｂ
は電気的振動子に供給される交流電圧の振巾変調
の効果を説明するためのノズルからの霧化粒子噴
出状態を示す図である。 １２′……振動子駆動部、４４……加圧室、４
８……電気的振動子（圧電振動子）、５２……ノ
ズル、５５……第１の発振器、５６……第２の発
振器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体を充填するための加圧室と、前記加圧室
   に臨むノズルと、前記ノズルを加振するための電
   気的振動子と、前記電気的振動子に交流電圧を供
   給する振動子駆動部とを備え、前記電気的振動子
   に振巾変調された交流電圧を供給する構成とした
   霧化装置。 ２ 振動子駆動部に第１の発振回路と第２の発振
   回路とを設け、前記第１の発振回路の出力を前記
   電気的振動子に供給すると共に、前記第２の発振
   回路の出力により前記第１の発振回路の出力を制
   御する構成とした特許請求の範囲第１項記載の霧
   化装置。 ３ 交流電圧の振巾を２値制御することにより振
   巾変調する特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   の霧化装置。